4. Високотемпературні порокові матеріали

Тугоплавкі метали

До тугоплавких металів, що одержуються методами порошкової металургії, відносяться вольфрам, молібден, тантал і ніобій. Температури плавлення їх рівні 3400, 2615,2980 і 2467° С відповідно.

Спечений ковкий компактний вольфрам проводять з 1910 р. і в даний час більше 80 % вольфрамових виробів виготовляють із спеченого вольфраму. З вольфрамового порошку зі змащуючими і склеюючими речовинами спочатку пресують заготовки. Малогабаритні вироби і дрібні штабики (квадратні заготовки завдовжки 400—500 мм) пресують в сталевих прес-формах. Складні і крупні (до 100—300 кг і більш) заготовки одержують газо- або гідростатичним пресуванням. Спікання пресувань проводять в два етапи. Спочатку здійснюють попереднє спікання у водневій печі при температурі 1150 — 1300°С, а потім зміцнений попереднім спіканням штабик нагрівають у водні до 2900—3000°С прямим пропусканням електричного струму. Пористість спечених штабиков складає 5—10 %. Для підвищення щільності і пластичності їх проковують при 1300—1500°С в смугу або пруток.

Молібденові, танталові і ніобієві вироби одержують за аналогічною технологією, але тантал і ніобій після проковування повторно спікають прямим пропусканням струму і знову проковують.

Диспепсно-зміинеиі матеріали

Дисперсно-зміцнені матеріали — це спечені матеріали, що є металевою матрицею, зміцненою включеннями тугоплавких з'єднань. Як зміцнювачі використовуються карбіди, нітриди, оксиди і інші з'єднання, які не взаємодіють з металом матриці аж до температури плавлення металу. Дисперсійне зміцнення дозволяє підвищити жароміцність матеріалу і у тому випадку, коли легування і термічна обробка стають вже неефективними.. Дисперсно-зміцнені матеріали на основі алюмінію, нікелю, вольфраму, міді застосовують в авіації, ракетобудуванні і інших областях техніки.

По механізму зміцнення дисперсно-зміцнені матеріали принципово не відрізняються від литих дисперсійно твердіючих сплавів, в яких фаза- зміцнювач виділяється в процесі старіння. Але можливості регулювання складу, кількості і розмірів включень фази-зміцнювача методами порошкової металургії невимірний ширше. Встановлено, що найбільш ефективне зміцнення забезпечується при змісті фази-зміцнювача 3—15 % за об'ємом, розмірі частинок її до 1 мкм (краще 0,01-—0,05 мкм) і середній відстані між ними 0,1—0,5 мкм. При цьому дисперсно-зміцнені матеріали зберігають мікрогетерогенну структуру, а, отже, і працездатність до (0,9—0,95) Т_т матриці.

Найбільш поширеним дисперсно-зміцненим матеріалом є САП — спечена алюмінієва пудра, що містить рівномірно розподілені включення оксиду алюмінію. В Україні виготовляють САП чотирьох марок з середнім змістом оксидної фази 7 % (САП-1), 10—11 % (САП-2), 13—14 % (САП-3) і 20—23 % (САП-4). Включення оксиду алюмінію не розчиняються в алюмінієвій матриці і не коагулюють в ній до перед плавильних температур, забезпечуючи САП високу жароміцність, що перевершує жароміцність всіх інших алюмінієвих сплавів. Випробування показали, що САП не втрачає міцності при нагріві до 550 °С. При нагріві майже до точки плавлення алюмінію, значення міцності САП падає до міцності алюмінію при кімнатній температурі. Частинки порошку САП зберігають свою форму навіть при 1000 °С, якщо не піддаються механічній дії. Електропровідність теплопровідність САП лінійно знижуються у міру збільшення кількості оксиду алюмінію, але у всіх випадках залишаються вищими, ніж у стандартних старіючих алюмінієвих сплавів, оскільки матриця САП — чистий алюміній, а не твердий розчин на його основі, як в сплавах. По пластичності САП поступається алюмінієвим сплавам.

Технологічна схема отримання САП включає брикетування алюмінієвого порошку з окисленою поверхнею, спікання брикетів і гаряче пресування (екструзію), яке сприяє рівномірному розподілу включень глинозему. Далі проводять холодну деформацію (плющення, волочіння, ротаційне кування) і відпал для зняття напруг. З САП можна одержувати поковки, лист, труби і ін. Матеріал піддається механічній обробці.

Область застосування САП обумовлена специфічними властивостями цього матеріалу: жароміцністю, високою тепло- і електропровідністю, зносостійкістю. Його широко використовують в авіації. САП виявився ідеальним матеріалом для виготовлення поршнів високонавантажених двигунів внутрішнього згорання, особливо дизелів.

Інший поширений дисперсно-зміцнений матеріал — ТД-нікель. Він складається з нікелевої матриці з включеннями діоксиду торію. Серійно випускають матеріал, що містить 2 % за об'ємом діоксиду торію (ВДУ-1). Виготовляють аналогічний матеріал з ніхромової матриці — ТД - н і х р о м. В Україні розроблені також дисперсно-зміцнені нікелеві матеріали з нетоксичними, на відміну від діоксиду торію, фазами-зміцнювачами. Для цього використовують включення діоксиду гафнію (ВДУ-2), оксиди цирконію, ітрію і ін. Вироби з ТД - нікелю мають високу жароміцність — межа тривалої міцності сг,¹™" = 90—110 МПа. Дисперсно-зміцнені ніхроми тривало працездатні при температурах до 1200 °С, короткочасно — до 1300— 1350 °С. їх широко використовують в авіації, реактивній техніці, хімічній промисловості і інших областях.

Залізо теж ефективне зміцнюється дисперсними включеннями оксидів, зокрема, глинозему. Максимум міцності відповідає 6,2 % глинозему в залозі. При цьому властивості змінюються таким чином:

AUO, % 0,4 2,8 6,2 <т„МПа 660 670 710 ег_{0 2} МПа 440 490 620

Днсперсно-зміцнене залізо не застосовують як жароміцний матеріал із- за його низької жаростійкості (окислюється). Але розроблений ряд дисперсно-зміцнених матеріалів на основі жаростійких сталей. Як фаза- зміцнювач вони містять оксиди алюмінію, титану, торію, цирконію.

Промислове застосування одержала дисперсно-зміцнена мідь. Дисперсійне зміцнення дозволяє різко підвищити міцність і твердість міді при кімнатній і підвищеній температурах, трохи зменшуючи її тепло- і електропровідність. Як фаза-зміцнювач використовують оксиди алюмінію, берилію, діоксид торію. З дисперсно-зміцненої міді виготовляють електроди, ролики і губки для контактної зварки, інструмент для електроіскрової обробки, деталі приладів.

Останніми роками одержали матеріал з дуже високою жароміцністю шляхом дисперсійного зміцнення хрому оксидами. Матеріал хром-30, що

містить 6 % оксиду магнію і 0,5 % титану має такі властивості:

t°C 20 300 650 980 1370

<г„МПа 340 265 245 125 33

Волокнисті композити

Зміцнення матриці волокнами, а не дисперсними частинками, дозволяє одержувати матеріали, що перевершують дисперсно-зміцнеиі за своїми характеристиками. Такі матеріали, звані волокнистими композиційними (композитами), містять до 35—60 % високоміцних волокон. Принцип зміцнення їх інший, чим дисперсно-зміцнених матеріалів. При вантаженні композиту, якщо сили зчеплення волокна з матрицею достатньо великі, то значення деформації матриці і волокна однакові. Отже, волокна ефективно зміцнюють матрицю, і міцність композиту визначається головним чином міцністю волокон. Матриця забезпечує лише передачу навантажень і жорсткість виробу. Крім того, поверхня розділу волокна і матриці служить перешкодою розповсюдженню тріщин, тобто армування дозволяє підвищити не тільки міцність, але і в’язкість матриці.

Як армуючі волокна використовують власне волокна (природні і штучні), тонкий дріт і вуса, виготовлені з вольфраму, стали, дисперсійно- зміцнених сплавів, графіту, бору, оксидів алюмінію, берилію і кремнію, а також тугоплавких карбідів, нітридів, боридів і інших з'єднань. Часто використовують волокна з покриттями, щоб забезпечити оптимальне зчеплення армуючого волокна з матрицею. Зменшення діаметру волокон приводить до зростання міцності матеріалу в цілому. Тому кращим армуючим матеріалом є вуса (віскерси) — тонкі ниткоподібні монокристали. Міцність вусів наближається до теоретичної і досягає для заліза 127, карбіду кремнію 31, мідь 4,4 і оксиду алюмінію 29 ГПа. Пружна деформація вусів досягає декількох відсотків.

Волокнисті композити одержують різними методами порошкової металургії. Основні з них — спікання спресованої суміші волокон з порошком матриці і просочення спресованих волокон розплавленим металом.

Одним з перших волокнистих композитів була мідь, армована вольфрамовим або молібденовим волокном. Виготовляли її методом просочення. Армування дозволило підвищити статичну і втомну міцність. Одержали промислове застосування алюмінієві сплави, які армували спочатку сталевим дротом, пізніше — вольфрамовим дротом (модуль пружності вольфраму більший, ніж сталы). Зараз для зміцнення алюмінієвих сплавів використовують волокна ковалентних з'єднань, що мають великий модуль пружності. Це оксиди кремнію, цирконію, алюмінію, бору, карбід кремнію, вуглецеве волокно. Сплави на нікелевій основі армують дротом з тугоплавких вольфраму і молібдену, волокнами вуглецю і карбіду кремнію, а також вусами з оксиду алюмінію. Армування заліза оксидом алюмінію,

титану — молібденовим дротом, магнію — волокнами бору дозволяє підвищити їх міцність в 3—5 разів в порівнянні з неармованими матеріалами.

Волокнисті композити — дуже перспективна група матеріалів, яка знайде застосування в різних областях науки і техніки. Об'єм виробництва цих матеріалів поки невеликий і застосовують їх переважно в авіації. Стримує розповсюдження цих матеріалів відсутність досить могутнього виробництва вусів і тонких високоміцних ниток.